Antenna devices and measurement of radio emission from cosmic ray induced air showers at the Pierre Auger Observatory

Fliescher, Stefan; Erdmann, Martin

doi:999910238723

Antenna devices and measurement of radio emission from cosmic ray induced air showers at the Pierre Auger Observatory = Antennensensoren und Messung der Radioemission von Luftschauern der kosmischen Strahlung am Pierre Auger Observatorium

Fliescher, Stefan (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Fliescher

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangV, 220 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Erdmann, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-12-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-39982
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/82811/files/3998.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Radiofrequenzstrahlung (Genormte SW) ; Luftschauer (Genormte SW) ; UHECR (Genormte SW) ; Antenne (Genormte SW) ; Physik (frei) ; transientes Signal (frei) ; effektive Länge (frei) ; transient signal (frei) ; vector effective length (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 96.50.Sd 9

Kurzfassung
Die Radiodetektion ausgedehnter Luftschauer gilt weltweit als vielversprechende Nachweismethode für die Realisierung neuartiger Observatorien ultra-hochenergetischer kosmischer Teilchenstrahlung. Meilensteine auf dem Weg zur erfolgreichen Verwendung der Radiotechnik liegen bei den zum Empfang benötigten Antennen, der Selektion und Verarbeitung aufgezeichneter Signale sowie der Bestimmung relevanter Größen aus den Messdaten. In dieser Arbeit stellen wir unsere Detektor- und Softwareentwicklungen, Simulationsstudien, theoretischen Berechnungen, Kalibrationsmessungen und Datenanalysen zur Entwicklung zweier Radiodetektoren am Pierre Auger Observatorium vor. Unsere Studien richten sich insbesondere auf die Antenne, die als Sensor für das transiente Luftschauersignal dient. Auf Basis der vektoriellen effektiven Antennenlänge berechnen wir die Impulsantwort von Antennensystemen unter Berücksichtigung von Vielfachreflektionen sowie Interferenz- und Polarisationseffekten. Wir präsentieren unsere Forschung und Entwicklung, Produktion und Kalibration der Antenne, die für die erste Ausbauphase des Auger Engineering Radio Array (AERA) genutzt wird. Anhand von Daten aus dem zweiten Radiodetektor studieren wir den lateralen Signalabfall des Luftschauerpulses. Wir nutzen Daten, die während der Inbetriebnahme von AERA aufgezeichnet wurden, um Richtung und Entfernung von Quellen transienter Störsignale zu identifizieren. Eine neue Methode zur effizienten Auswahl von Luftschauersignalen aus dem Gesamtdatensatz wird vorgestellt. Im Hinblick auf den weiteren Ausbau von AERA evaluieren wir drei Antennenmodelle und vergleichen deren Impulsantwort. Anhand simultaner Beobachtungen des galaktischen Radiohintergrundes am Nançay Radio Observatorium bestimmen wir das Eigenrauschen der getesteten Antennen.

Radio detection of air showers originating from ultra-high energy cosmic rays is considered world wide as a candidate technique for the next generation of Earth bound cosmic ray observatories. In the research and development of this technique major challenges concern the antenna sensor, signal processing, triggering and data interpretation. In this thesis we present hardware and software developments, central simulations studies, theoretical calculations, calibrations and data analysis for the overall development of two engineering radio arrays at the Pierre Auger Observatory with special emphasis on the antenna sensor. The transient nature of the air shower signal requires a detailed description of the antenna to allow for a calibrated measurement of the incident signal. We identify the vector effective length as suitable quantity to perform the calculation of the antenna response to transient signals including multiple reflections, interference and polarization effects. We present our research and development including the calibration of the antenna which is used in the current setup of Auger Engineering Radio Array (AERA). Using air shower data from a pioneering radio detector installation we study the lateral fall-off of the radio signal with increasing distance to the air shower axis. Furthermore, we study the data that is recorded during the start up phase of AERA. We characterize major sources of transient signals in the vicinity of AERA in three-dimensional space. We introduce a method for the rejection of background signals which results in an efficient selection of air showers from the AERA data set. Finally, we evaluate candidate antennas for the next setup phase of AERA regarding their response characteristics to transient waveforms. Using comparative measurements of the variation of galactic radio signals performed at the Nançay Radio Observatory we discriminate the candidate antennas with respect to an optimal noise performance.

Fulltext:
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